我們看到的宏觀物體形式多樣、五光十色，它們都是由各種分子和原子組成的。各種不同元素的原子又都由質(zhì)子、中子和電子組成。但是人類對基本粒子的探索并未停止，從理論推斷到實驗檢驗，人們發(fā)現(xiàn)了大量微觀粒子。經(jīng)過仔細分類研究，目前還沒有發(fā)現(xiàn)具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本粒子共有62種。

17.1 物質(zhì)的鏡像：反物質(zhì)

1927年，只有25歲的狄拉克意識到，質(zhì)量極小的電子是極易加速到接近光速的，對這種高速電子的完整描述應(yīng)該考慮將相對論方程和量子力學(xué)方程結(jié)合起來。于是他把狹義相對論引進薛定諤方程，創(chuàng)立了相對論性質(zhì)的波動方程——狄拉克方程。

我們都知道，最簡單的二次方程x^2=A有兩個解，一個是x=根號A，另一個是x=負根號A。同樣，電子的相對論性方程中出現(xiàn)了能量的平方E2，這樣求解電子能量E時就會得出兩個解：一個正的，一個負的。

狄拉克并沒有想當然地把負能量當作不合理的結(jié)果舍去，他承認了負能量的存在。要知道，負能量是一個很奇怪的東西。假如說一輛汽車具有負能量，那么踩剎車反而會讓它加速，而踩油門卻會讓它慢下來！

當時的物理學(xué)家們都對負能量持懷疑態(tài)度，海森堡稱這是“現(xiàn)代物理學(xué)中最悲哀的一章”。

面對質(zhì)疑，狄拉克并沒有放棄，經(jīng)過仔細思考，他提出了一個大膽的假設(shè)。他指出：

“以往人們把真空想像成一無所有的空間。現(xiàn)在看來，我們必須用一種新的真空觀念來取代舊觀念。在這種新理論中，需要把真空描寫為具有最低能量的一個空間區(qū)域，這就要求整個負能區(qū)都被電子占據(jù)著?！?/p>

按狄拉克的觀點，真空中有無窮多個被電子填滿的負能量位置，真空就像是由負能量電子組成的汪洋大海（后來人們稱為“狄拉克之?！保?。

可是在我們的世界中所有這些位置都被電子填滿了，負能量位置被均勻地填滿對我們來說是完全察覺不到的，因此檢測不到任何負能量。可是，如果一個負能量的電子被擾動，電子從負能級上被激發(fā)出來，留下的位置就變?yōu)橐粋€“空穴”，這樣，一個空穴會表現(xiàn)為負能量不足和負電荷不足。負能量不足就表現(xiàn)為正能量，負電荷的不足就表現(xiàn)為正電荷。

1931 年，狄拉克提出：

“一個空穴，如果存在的話，就是一種實驗物理還不知道的新粒子，它與電子的質(zhì)量相同而所帶的電荷相反。我們可以稱這樣的粒子為正電子?！?/p>

正電子就是反電子，狄拉克這一觀點宣告了反粒子觀念的誕生。

狄拉克不光提出反電子的概念，他還大膽地把反粒子的概念擴展到其他粒子。他指出：

“我認為負質(zhì)子也可能存在，雖然該理論還沒有那么明確，但在正負電荷之間應(yīng)該有種徹底而完美的對稱性。而且，如果這在自然界是一種真正基本的對稱性，那么任何一種粒子的電荷應(yīng)該都有可能反過來。”

狄拉克并沒有等太久就等到了他的正電子。

當時已經(jīng)發(fā)明了云室，在云室里人們可以記錄下單個原子和粒子的軌跡。1932 年，美國物理學(xué)家卡爾·安德森使用云室從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了電子的反粒子——正電子。

原子劇烈碰撞而產(chǎn)生的電子?正電子對在云室中留下的軌跡，它們在磁場中的軌跡剛好相反。在粒子反應(yīng)中如果有足夠的能量使動量守恒并轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，就能成對產(chǎn)生正反粒子對。

正電子的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)家們新的探索之旅。1955 年，反質(zhì)子在美國的一家實驗室中被發(fā)現(xiàn)，其后人們又發(fā)現(xiàn)了反中子。到20 世紀60 年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人們找到了。

狄拉克獲得了1933 年的諾貝爾物理學(xué)獎。按照慣例，在斯德哥爾摩瑞典皇家學(xué)院接受諾貝爾獎時，獲獎人應(yīng)做一個簡短的演講。狄拉克在接受他的獎金時說：

“地球中所包含的負電子和正質(zhì)子占多數(shù)，我們更應(yīng)該把這看作是一種偶然現(xiàn)象。對其他星球很可能是另一番情景，那些星球有可能主要是由正電子和負質(zhì)子構(gòu)成的。實際上，有可能存在每種方式各構(gòu)成一半的星球……而且可能沒辦法區(qū)分它們。”

現(xiàn)在我們知道，對每一個粒子而言，都存在著與其具有相同的引力性質(zhì)，但帶著相反符號荷（電荷與核力荷）的反粒子。粒子和反粒子碰撞在一起，就湮滅而產(chǎn)生純粹的能量閃光。

反物質(zhì)是反粒子概念的延伸，反物質(zhì)是由反粒子構(gòu)成的物質(zhì)。反物質(zhì)是物質(zhì)的“鏡像”形式。

1995 年，歐洲核子研究中心的科學(xué)家在世界上制成了第一批反物質(zhì)——反氫原子?？茖W(xué)家利用加速器，將速度極高的負質(zhì)子流射向氙原子核，以制造反氫原子。由于負質(zhì)子與氙原子核相撞后會產(chǎn)生正電子，

剛誕生的一個正電子如果恰好與負質(zhì)子流中的另外一個負質(zhì)子結(jié)合就會形成一個反氫原子，其平均壽命僅為30ns（一億分之三秒）。2011 年，歐洲核子研究中心的科研人員宣布已成功抓取反氫原子超過16min。同年，在位于紐約長島的美國布魯克海文國家實驗室，來自多個國家的科學(xué)家們合作制造出了迄今最重的反物質(zhì)——反氦原子。

1997 年，美國天文學(xué)家宣布，他們利用先進的γ 射線探測衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)在銀河系上方約3500 光年處有一個不斷噴射反物質(zhì)的反物質(zhì)源，它噴射出的反物質(zhì)在宇宙中形成了一個高達2940 光年的“噴泉”。這是宇宙反物質(zhì)研究領(lǐng)域的一個重大突破。現(xiàn)在人們最想知道的就是，宇宙中真的存在反物質(zhì)星球嗎？

17.2 宇宙隱形人：中微子

1899 年，盧瑟福發(fā)現(xiàn)β 衰變現(xiàn)象，它涉及的是原子核中的一個中子轉(zhuǎn)化成一個質(zhì)子，并伴隨著一個高速電子的釋放。

中微子的發(fā)現(xiàn)來自對β 衰變的研究。人們發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)在β 衰變過程中釋放出的電子只帶走了它應(yīng)該帶走的能量的一部分，還有一部分能量失蹤了。玻爾據(jù)此認為，β 衰變過程中能量守恒定律失效。

能量守恒定律失效這個說法太過牽強。1930 年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個假說，他認為在β 衰變過程中，除了電子之外，同時還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以至儀器很難探測到。1931 年，泡利提出，這種粒子并非原本就存在于原子核中，而是由衰變產(chǎn)生的。

泡利預(yù)言的這個竊走能量的“小偷”被意大利物理學(xué)家費米命名為“中微子”，意為“微小的中性粒子”。1934 年，費米在中微子理論研究中做出了重大貢獻，他的創(chuàng)舉在于將β 衰變歸結(jié)于粒子的產(chǎn)生和湮滅。該理論直接為量子物理帶來了一個至今仍占中心地位的重要思想：微觀世界中的相互作用都是通過產(chǎn)生和湮滅粒子發(fā)生的。

中微子個頭小，不帶電，只參與非常微弱的弱相互作用，具有極強的穿透力，能輕松穿透地球，就像宇宙間的“隱形人”。地球上每平方厘米每秒有600 億~1200 億個中微子穿過，但是在100 億個中微子中才有一個會與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測非常困難。直到1956 年中微子才被觀測到，證明了它的存在。

對中微子的研究表明，中微子具有質(zhì)量，但其質(zhì)量非常非常小，以至于人們目前還測不出準確數(shù)字，只能給出一個質(zhì)量上限值。

關(guān)于中微子曾有一個轟動世界的新聞。2011 年9 月，意大利格蘭薩索國家實驗室公布“中微子運動速度超光速”的試驗結(jié)果，引起世界震動。不過在2012 年6 月8 日，該實驗室宣布撤銷此項試驗結(jié)果，原來是因為試驗裝置存在光纜連接問題而導(dǎo)致測量誤差。真是虛驚一場。

17.3 世界的基石：夸克

1930 年以后，科學(xué)家們開始制造粒子加速器（圖17-2）。加速器是用電磁場把帶電粒子加速到高能高速的裝置，它是探測微觀粒子的有力武器。在這里，帶電粒子被加速到極高的速度，然后與其他粒子或其他物體發(fā)生劇烈的碰撞，連原子核都能被撞個粉碎，于是最基本的粒子都被撞了出來。

加速器可以是直線形的，也可以是環(huán)形的。在環(huán)形的加速器里，專門有磁場將粒子逼到環(huán)形軌道上去。隨著加速器能量的不斷提高，人類對微觀物質(zhì)世界的認識也逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。

質(zhì)子和中子因為存在強相互作用才能結(jié)合成穩(wěn)定的原子核，人們把150可以直接參與強相互作用的粒子稱為“強子”。在加速器的作用下，人們竟找到了200 多種強子，如果再加上它們的反粒子，就有400 多種。這實在是太多了，人們不禁懷疑，自然界用得著這么多基本粒子嗎？ 1964年，美國科學(xué)家蓋爾曼提出強子不是基本粒子，而是由更基本的粒子——夸克組成的觀點，并發(fā)展了相關(guān)的理論（注：夸克這一名字是蓋爾曼起的，他從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根徹夜祭》中找到一句話：“Three quarks for Muster Mark!”于是，“quark”這個與科學(xué)沒有任何關(guān)系的詞就成了現(xiàn)代科學(xué)中最時髦的一個詞）。

夸克的思想是吸引人的，可一些物理學(xué)家最初并不愿意接受它，他們認為夸克“結(jié)構(gòu)”只是一種數(shù)學(xué)技巧。但在實驗面前，他們不得不承認蓋爾曼是對的。質(zhì)子和中子的高速碰撞實驗表明，它們都是由更小的粒子構(gòu)成的，這些粒子就是夸克。因為對夸克的研究，蓋爾曼獲得1969年的諾貝爾獎。

夸克和電子的體積是最困擾我的一個問題。華裔諾貝爾獎得主、粒子物理學(xué)家丁肇中在演講中多次提到，從理論上來講，夸克和電子都是點粒子，其直徑或體積應(yīng)該為零。他在實驗中測出電子直徑至少是小于10?19m 的，但是我的頭腦中實在無法想象體積為零的粒子是一個什么圖像。也許只能這么理解：既然它們沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那就應(yīng)該沒有體積（不過超弦理論已經(jīng)打破了這種點粒子的觀點，以后章節(jié)將會詳述）。

宇宙中存在有6 種不同類型的夸克，我們分別將之稱為上、下、奇、粲、底、頂夸克。每種夸克都帶有3 種“色荷”——紅、綠、藍。當然，所謂這些顏色僅僅只是借用紅、綠、藍這三個詞而已，并非夸克真的有顏色。色荷可以和電荷類比，就像電荷有正、負兩種類型一樣，色荷有紅、綠、藍三種類型。由于夸克有6 種類型，每種類型有3 種“顏色”，所以共有18 種夸克。

夸克的色荷在強相互作用中守恒，因此，色荷是強力的源。兩個夸克之間通過交換“膠子”而發(fā)生強相互作用。

由三個夸克組合成的粒子稱為“重子”，質(zhì)子和中子就是重子。每個重子都是由3 個夸克組成，同時每一個夸克都各具有一種顏色。當三個夸克組合在一起時，紅、綠、藍相互抵消，變成“無色”，色荷守恒，于是他們就結(jié)合在一起了。

由一個夸克和一個反夸克組成的粒子叫“介子”。比如紅色夸克和反紅色夸克結(jié)合，紅色和反紅色相互抵消，也變成“無色”的介子。重子和介子一起被合稱為強子。

夸克的電荷是分數(shù)。上、粲及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+2?3，而下、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為?1?3。

一個質(zhì)子里包含有兩個上夸克和一個下夸克（見圖17-3（a）），而一個中子里則是包含著兩個下夸克和一個上夸克（見圖17-3（b））。所以質(zhì)子的電荷為+1，而中子的電荷為0。

17.4 世界的基石：輕子

輕子是對電子和它的兩個伙伴，以及它們對應(yīng)的中微子的總稱。包括電子、μ 子、τ 子以及電子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子等6 種基本粒子，加上它們的反粒子，共計12 種輕子。輕子都是基本粒子，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

前文已經(jīng)提到過，英國物理學(xué)家湯姆遜在1897 年發(fā)現(xiàn)了電子，并確定電子是一種基本粒子。

1937 年，人們在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了μ 子?？梢哉fμ 子就是一個胖電子，它的質(zhì)量是電子的207 倍，其他性質(zhì)則和電子相同。在穿過地球的宇宙射線中有大量的μ 子，此時此刻就不斷地有μ 子從我們的身體中穿過。μ 子的壽命很短，它很快就會衰變成一個μ 子中微子、一個電子和一個反電子中微子。

1976 年，物理學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了一個更胖的“電子”，它的質(zhì)量是電子的3479 倍，其他性質(zhì)則和電子相同，這個粒子被命名為τ 子。τ 子雖然屬于輕子，但它的質(zhì)量并不輕，它的質(zhì)量已經(jīng)達到了質(zhì)子的1.9 倍。τ 子也會迅速衰變，它有三種可能衰變的途徑：64.8% 的概率會衰變成τ 子中微子和反π 介子；17.84% 的概率會衰變成τ 子中微子、電子和電子中微子；17.36% 的概率會衰變成 τ 子中微子、μ 子和μ 子中微子。

17.5 四種基本力和力的傳遞粒子

通常把物體之間的相互作用稱為力。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，自然界中所有的相互作用都可以歸結(jié)為四種基本力的組合，這四種基本作用力是：引力、電磁力、強力和弱力。

1. 引力

引力就是大家常說的萬有引力，有質(zhì)量或者能量的任何物體都會感受到引力。引力對我們來講是非常重要的，它不但讓我們能牢固地腳踏大地，而且還維持著地球繞著太陽轉(zhuǎn)。與其他三種力相比，引力非常非常弱，要小三十多個數(shù)量級。物體質(zhì)量有多大，決定了它能產(chǎn)生多強的引力以及對引力有多大的反應(yīng)。所以小質(zhì)量物體間的引力小到可以忽略不計，這就是為什么兩個人之間感受不到對方引力的原因。好在地球和太陽的質(zhì)量足夠大，所以地球能被太陽牢牢地吸引住。

有趣的是，實驗證明引力是以光速傳播的。假如太陽突然消失了，地球并不會馬上陷入災(zāi)難，它還會照樣公轉(zhuǎn)，直到大約8min 后地球才會感受到太陽引力的消失，那時才會出現(xiàn)災(zāi)難。

計算引力的公式大家都熟悉，就是牛頓的萬有引力定律：

式中，F(xiàn) 是兩個物體之間的引力，G 是萬有引力常量，m1 和m2 是兩個物體的質(zhì)量，r 是兩個物體之間的距離。

2. 電磁力

帶電荷的粒子會相互吸引或者相互排斥，這種力就叫電磁力。電荷間同性相斥、異性相吸。就像質(zhì)量一樣，電荷也是粒子的基本性質(zhì)。原子中電子帶負電荷，質(zhì)子帶正電荷，大小都為e（e=1.6×10?19 庫侖）。因為正、負電荷相互抵消，所以原子是電中性的。雖然夸克具有分數(shù)電荷，但夸克不能被單獨探測到，所以e 是電荷的基本單位。

電磁力比引力強得多，兩個電子之間的電磁力比引力大36 個數(shù)量級。好在我們常見的物體都是電中性的，所以不會產(chǎn)生強大的吸引力或排斥力。

電磁力的計算公式是庫侖定律：

式中，F(xiàn) 是兩個物體之間的電磁力，K 是庫侖常數(shù)，q1 和q2 是兩個物體所帶的電量，r 是兩個物體之間的距離。

你肯定會問，這是一本科普書籍，有必要羅列這些公式嗎？但是，如果你仔細對比一下萬有引力定律和庫侖定律這兩個公式，你就會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象。是什么呢？

對，這兩個公式在形式上竟是如此接近，這真的只是一種巧合嗎？還是有更深層次的東西在里面？

3. 弱力

弱力會導(dǎo)致原子核的β 衰變（質(zhì)子和中子間的一種轉(zhuǎn)變），帶來放射性。

4. 強力

強力將夸克“膠結(jié)”在質(zhì)子和中子內(nèi)，又把質(zhì)子和中子緊緊束縛在一起形成原子核。

大家對強力和弱力比較陌生，是因為它們是作用在原子核尺度范圍內(nèi)的力，超過原子核尺度以外就完全失去作用了。強力是四種力里強度最大的力，比電磁力強100 倍。擠在原子核里的質(zhì)子因電磁作用而相互排斥，多虧了強力才把它們緊緊束縛在一起。

物體之間產(chǎn)生的各種力都不是憑空就能相互作用的，而要靠一定的粒子來進行力的傳遞。

強力的傳遞粒子是膠子。膠子共有8 種，靜止質(zhì)量為零，電荷為零，具有色荷。

弱力的傳遞粒子是W 粒子和Z 粒子。W 粒子有兩種，質(zhì)量相同但分別帶一個正電荷和一個負電荷，記為W+ 和W?粒子。Z 粒子是一種電中性的粒子，記為Z0。

引力的傳遞粒子是引力子。這是物理學(xué)家預(yù)言的，因為到現(xiàn)在還沒有找到引力子。如果能找到引力子，它應(yīng)該是一個靜止質(zhì)量為零，電荷為零的粒子。

電磁力的傳遞粒子就是光子。兩個帶電粒子之間的電磁力是通過互相交換光子而產(chǎn)生相互作用的。

在力的傳遞粒子中，光子、膠子、引力子靜止質(zhì)量均為零，而W 粒子和Z 粒子卻有靜止質(zhì)量，而且非常大。W 粒子的質(zhì)量是電子的157400倍，Z 粒子的質(zhì)量是電子的178450 倍。

表17-1 給出了四種基本作用力的性質(zhì)對比。

17.6 上帝粒子：希格斯粒子

為什么有些基本粒子具有靜止質(zhì)量，而有些基本粒子的靜止質(zhì)量為零？英國物理學(xué)家彼得·希格斯提出的一種物理機制可以解釋這問題。

可以說，希格斯機制是宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的來源，是物質(zhì)世界誕生的基礎(chǔ)。按現(xiàn)有理論，所有粒子原本都是沒有質(zhì)量的，是希格斯場賦予了它們質(zhì)量。希格斯場是一種原本不可見的、遍及整個宇宙的能量場。如果沒有希格斯場，就無法生成質(zhì)量，也無法構(gòu)建任何東西，那么恒星、行星、生命就無從誕生了。

電磁力和弱力在宇宙起源之初的高能狀態(tài)下本來是一種統(tǒng)一的電弱力，W+、W?、Z0 和光子原本都沒有靜止質(zhì)量，統(tǒng)一的電弱力具有比較高的對稱性。但是隨著能量的降低，這種對稱性自發(fā)破缺，統(tǒng)一的電弱力分解為電磁力和弱力。在這個過程中，W+、W?、Z0 等粒子與希格斯場作用獲得了質(zhì)量，而光子未參與這種作用，靜質(zhì)量仍為零。

輕子、夸克等粒子原來質(zhì)量也為零，它們也因為自發(fā)對稱性破缺而與希格斯場相互作用獲得質(zhì)量，但它們獲得質(zhì)量的方式不同于W 和Z粒子。

總之，根據(jù)希格斯機制，W 粒子、Z 粒子、輕子、夸克等基本粒子因為與希格斯場彼此相互作用而獲得質(zhì)量，但同時也會出現(xiàn)副產(chǎn)品——希格斯粒子。假若實驗證實希格斯粒子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定。光子和膠子不和希格斯場發(fā)生相互作用，所以它們沒有質(zhì)量。

有一個形象的比喻，希格斯場就像一鍋充滿宇宙的糖漿，粒子就是在糖漿里游的魚，有的魚兒皮膚粗糙沾上了糖漿，于是獲得質(zhì)量，速度也慢了下來；有的皮膚光滑沒有沾，所以就無質(zhì)量。

美國著名粒子物理學(xué)家利昂·萊德曼曾寫過一本書，書名叫做《上帝粒子——假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》。萊德曼在書中形象地將希格斯粒子稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”，“上帝粒子”由此而成為希格斯粒子的綽號。